[发明专利]一种多功能真空-正压熔炼凝固设备

说明书

技术领域

本发明涉及多功能真空-正压熔炼凝固设备，具体为一种在密闭的真空及高压气氛下采用熔炼、凝固工艺制备多种特种材料的设备。该设备可以用于制备高氮奥氏体不锈钢、高孔隙率各向同性发泡材料和高强定向多孔材料以及金属/陶瓷复合材料。

背景技术

高氮奥氏体不锈钢是近年来随冶金科技的进步而出现的一种新型工程材料。从广义上讲，高氮奥氏体不锈钢是指材料中实际氮含量超过在常压下(0.1MPa)制备材料所能达到极限值的钢。高氮奥氏体不锈钢具有良好的力学性能、优异的耐腐蚀性能，并能改善不锈钢的血液相容性，因而受到国内外的广泛重视。常压冶炼高氮奥氏体不锈钢主要存在如何使熔体中得到高质量分数的氮；以及在迅速增加氮的同时如何防止在凝固过程中氮逸出两个技术问题。目前，制备高氮奥氏体不锈钢有氮气加压熔炼法、粉末冶金法和表面渗氮法，其中，氮气加压熔炼法是现在工业大规模制备高氮奥氏体不锈钢的唯一方法。

金属多孔材料是一类具有明显孔隙特征的金属材料，具有优异的物理特性和良好的机械性能，包括密度小、刚度大、比表面积大、吸能减振性能好、消音降噪效果好、电磁屏蔽性能高等，其应用已覆盖了航空、电子、医药及生物化学、冶金机械、石油化工、能源环保、国防军工和核技术等领域。

乌克兰科学家Shapovalov提出了一种采用金属/气体共晶定向凝固方法制备高强定向多孔金属材料的技术。该技术原理是：在一定高压气氛下(一般为氢气或氢气和氩气的混合气氛，对特定金属也可以使用氧气或氮气)熔化那些不会形成气体化合物(如氢化物，氧化物或氮化物)的金属或者合金，保温一段时间之后，熔体中将溶解大量的气体。在随后的凝固过程中，由于气体在固相和液相中的溶解度差，凝固界面处过饱和的气体将析出，金属也凝固成相应的固相。这个过程相当于发生了一个气固共晶反应。如果工艺参数控制得当，使得固相和气相耦合生长并稳定向前推进，最后得到的将是圆柱状气孔定向排列于金属基体中的多孔结构，气孔的排列方向与热流方向平行。同理，该技术也可用于制备多孔陶瓷和半导体硅等。

围绕这一思想，前苏联专利1107958设计了一种利用高压促进金属溶液吸收气体及冷却的多孔金属制备装置，美国专利5224031设计了一种通过高压气体以虹吸方式制备多孔金属的装置。两种装置因为均使用惰性气体(不宜使用氢气)，而惰性气体在液态金属中的溶解度非常低，无法实现获得的多孔金属的气孔率在较大范围进行调整、控制的目标；法国专利2208743设计了一种通过在底部通入气体以水冷方式使熔体由上部凝固的多孔金属制备设备，由于该设备无法精确完成气固共晶反应，因此获得的多孔金属结构均匀性、可控性较差。美国专利5181549较好地解决了上述问题，该专利设计了包括熔化金属坩埚、具有水冷结晶器的凝固装置、温度测量及控制装置、抽真空及正压控制装置的系统。通过对熔化温度、气体压强及保压时间、凝固过程有关参数的控制，该装置可以获得结构较均匀、气孔定向排列、气孔率可控的多孔金属。但该专利装置存在两个突出问题：一方面，该装置熔化坩埚与凝固装置采用陶瓷塞杆分隔，通过提拉陶瓷塞杆进行熔体浇注。由于陶瓷塞杆较脆，容易发生断裂，并且温度控制不精确容易出现熔体事先凝固在其表面使提拉动作无法完成；另一方面，由于在某一方向定向凝固过程中无法保证其它方向的绝热，因此往往出现铸锭非凝固方向外表面有一圈硬壳以及柱状气孔的取向发散的现象。中国专利(申请号200710158572.2)描述了一种气固共晶凝固法制备多孔材料的设备，该设备由互成90度角放置的两个主体模块：熔炼炉和凝固结晶器组成，熔炼炉中，有坩埚、高温计、坩埚盖、开启坩埚盖和操纵熔融物的操纵器；凝固结晶器中，有水冷底座、主铸模、辅助铸模、中继铸模、加热器和径直对着坩埚中熔融物表面的摄像机；加热器径直对着主铸模的开口，在水冷座底部设置用于主铸模的震荡器和垂直往复、水平旋转装置。该专利申请中装置主铸模的加热采用径直对着主铸模开口的方式，仍然无法解决其他方向的绝热问题，而且这种加热方式很难保证熔体的温度均匀；凝固过程需要熔融液静止，因此主铸模水冷座底部设置的用于主铸模的震荡器和垂直往复、水平旋转装置对于熔融液的凝固将起到干扰作用，不利于直孔的形成；此外，该装置只能用于制备孔隙率在5～75％之间的多孔材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多功能真空-正压熔炼凝固设备，解决现有技术中存在的在某一方向定向凝固过程中无法保证其它方向的绝热、难以获得均匀孔结构的多孔材料等问题。

本发明的技术方案：